專利名稱：一種高效納米天線太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高效納米天線太陽能電池的制作方法，屬于微電子與固體電子學、納米科學技術領域。
背景技術：
在現今太陽能電池領域，根據所用材料的不同，太陽能電池主要分為硅太陽能電池、多元半導體化合物薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機聚合物太陽能電池、塑料太陽能電池等，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。由于硅材料生長成本高，能耗大污染重，且其效率受到限制，難以進一步提高。因此開發(fā)新型結構太陽能電池，成為太陽能電池領域研究熱點。
近幾年隨著碳材料的應用越來越廣，人們對碳材料在太陽能電池中的應用抱有極大興趣。二維碳材料-石墨烯，有著非常優(yōu)異的性能。石墨烯的熱導率是銅的10倍，它透光性好，對光的吸收率只有2. 3%，在電和磁性能方面具有很多奇特的性質，如室溫量子霍爾效應、雙極性電場效應、鐵磁性、超導性及高的電子遷移率。這些優(yōu)異的特質使得石墨烯在晶體管、太陽能電池、超級電容器、場發(fā)射和催化劑載體等領域有著良好的應用前景，被認為具有替代半導體材料的潛質。一維碳材料-碳納米管，具有良好的電學性能，對應不同太陽光波長的不同尺寸，碳納米管可以作為整流天線把太陽光轉化為直流電，很容易應用作為納米天線太陽能電池中的“天線”。納米天線太陽能電池采用自上而下的制備工藝，傳統(tǒng)的制備工藝在生長電池主體結構時，需要采用磁控濺射、刻蝕等復雜耗能工序，并且需要較多的硅半導體層，耗時耗能，并不能節(jié)省硅材料。如果能研究出一種工序簡化并節(jié)約硅原料的方法，將大大推進納米天線太陽能電池的發(fā)展及工業(yè)化普及。

發(fā)明內容
本發(fā)明公開了一種高效納米天線太陽能電池的制作方法，其目的在于克服現有的太陽能電池制備方法工序復雜，需要較多的硅材料，耗能耗時等弊端。本發(fā)明采用一步法直接生成電池主體結構，既保持了納米天線太陽能電池高效率、柔性好的優(yōu)勢,又大大簡化工序，節(jié)約硅用量，節(jié)約成本。本發(fā)明技術方案是這樣實現的I、一種高效納米天線太陽能電池制備方法，其特征在于按照以下步驟進行A)金屬襯底修飾選擇金屬箔作為襯底；選取乙醇或丙酮有機溶劑與納米硅粉按質量體積比納米硅(g):有機溶劑(ml )1:200比例配置粒徑為30 70nm納米硅懸濁液，經超聲分散處理后，采用旋涂法，將納米硅濁液旋涂到所選用的金屬襯底上，待有機溶劑揮發(fā)后得到納米硅粉修飾的金屬襯底；B)電池器件片制作
以甲烷或乙醇或乙炔氣體中的一種或幾種作為碳源，在800 1000°C溫度，40 IOOPa標準壓強下，與氫氣混合，并用惰性氣體作為保護氣，采用等離子體增強化學氣相沉積法，在經步驟A)修飾后的金屬襯底上一步生成硅-石墨烯-碳納米管復合結構太陽能電池器件片；C)鈍化層制作采用旋涂或濺射或高真空熱蒸發(fā)方法，在經步驟B)生成的太陽電池器件片上，碳納米管之間沉積硅橡膠或二氧化硅或氧化鋁中的一種或兩種薄膜，作為太陽能電池器件片的鈍化層；D)窗口層制作運用電子束蒸發(fā)或磁控濺射方法，在鈍化層和碳納米管的表面，沉積透明導電薄膜(ITO)或摻鋁氧化鋅(AZO)，作為窗口層； E)對由上述步驟的得到的器件上表面拋光，使碳納米管的橫截面暴露出來，在橫截面上采用旋涂烘烤或濺射或真空蒸發(fā)方法再次生成硅橡膠或氧化鋁透明鈍化層；F)以銅或鎳或鐵金屬箔襯底為背電極，上層透明導電薄膜為前電極，得到納米天線太陽能電池。用無水乙醇或丙酮作溶劑按比例(有機溶體積體積ml與硅粉質量g比例為200 I)配置粒徑為30 70nm納米硅懸濁液，超聲I小時使其分散均勻。以甲烷或乙醇或乙炔氣體中的一種或幾種作為碳源，采用等離子體增強化學氣相沉積，在800 1000°C,40 IOOPa標準壓強下一次性生成金屬箔-娃_石墨烯_碳納米管復合結構器件片，把它作為納米天線太陽能電池主體結構，并在其基礎上進一步生長鈍化層及窗口層；碳源氣體與還原性氫氣比例為1:2. 5。反應時間為5 15分鐘。所述的金屬箔襯底為銅、鎳、鐵金屬箔中的一種。本發(fā)明的有益效果是在傳統(tǒng)納米天線太陽能電池制作方法的基礎上，采用一步法一次性生成電池主體結構器件，不同于傳統(tǒng)使用磁控濺射在半導體上，生長金屬顆粒作催化劑，再生長碳納米管的方法，本發(fā)明利用修飾的金屬襯底，直接生成碳納米管，并利用不同尺寸的納米硅顆粒影響，生長不同尺寸的碳納米管。本發(fā)明簡化工序，大量節(jié)約成本。同時金屬襯底又可作為背電極，硅顆粒-石墨烯混合網狀層起到整流作用。


圖I為本發(fā)明實施例I的制作流程示意圖；圖2是本發(fā)明實施例2的制作流程示意圖。I、銅箔，101、納米硅粉，2、碳納米管，102、石墨烯-硅混合物，3、硅橡膠鈍化層，4、ZnO氧化鋅透明導電薄膜。A :鎳箔，A-I :納米硅粉，B :碳納米管，A-2 :石墨烯-硅混合物，C :二氧化硅鈍化層，D :ZnO氧化鋅透明導電薄膜。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本實施例不能用于限制本發(fā)明，凡是采用與相同的技術手段或相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范圍。
實施例I :A)金屬襯底修飾如圖I所示選用尺寸50x50mm銅箔I為襯底。按質量體積比納米娃(g):無水乙醇(ml)l:200比例，配置直徑為70nm納米硅濁液，，超聲I小時使其分散均勻。超聲時選擇高頻、25°C條件。將處理完的納米硅溶液旋涂到銅箔I上。旋涂時采用低速200r/min、旋轉10秒，高速1500r/min,旋轉10秒。B)電池器件片制作采用化學氣相沉積法，在800°C溫度，40Pa標準壓強下，以乙醇為碳源，生長石墨烯硅混合物102和碳納米管2。整個過程通氫氣做還原劑，流量50sCCm。生長使用真空管式爐。C)鈍化層制作 采用旋涂法在生成的碳納米管之間生成硅橡膠鈍化層3。D)窗口層制作運用電子束蒸發(fā)，在硅橡膠鈍化層3和碳納米管2的表面，沉積ZnO透明導電薄膜4，作為窗口層。E)對上述步驟得到的器件上表面拋光，在拋光后橫截面上再次旋涂硅橡膠鈍化層。F)以銅箔襯底為背電極，上層ZnO透明導電薄膜4為前電極，得到納米天線太陽能電池。實施例2 A)金屬襯底修飾按質量體積比納米硅(g):無水乙醇(ml) 1:200比例，配置直徑為30nm納米硅濁液，超聲I小時使其分散均勻。選擇鎳箔A作為金屬襯底，采用浸澤-提拉法，在鎳箔表面修飾粒徑30nm納米娃粉A-I顆粒。B)電池器件片制作以乙炔為碳源氣體，在850°C，IOOPa標準壓強下，采用等離子體增強化學氣相沉積法生長石墨烯-硅混合物A-2和碳納米管B。整個過程通氫氣做還原劑，流量50SCCm。C)鈍化層制作采用磁控濺射法在生成的碳納米管B之間生成二氧化硅鈍化層C。D)窗口層制作運用電子束蒸發(fā)，在二氧化硅鈍化層C和碳納米管B的表面，沉積ZnO透明導電薄膜D，作為窗口層。E)對電池上表面拋光,在拋光后橫截面上再次生長二氧化娃鈍化層C。F)以鎳箔A襯底為背電極，上層ZnO透明導電薄膜D為前電極，得到納米天線太陽能電池。實施例3該實施例具體步驟與實施例I相同，不同的是A)選擇鐵箔作為金屬襯底。選擇丙酮作為有機溶劑。按質量體積比納米硅(g):丙酮(ml) 1:200比例，配置直徑為50nm納米硅濁液。
B)電池片器件制作時，條件為甲烷作為碳源，在950°C溫度，60Pa標準壓強

C)最終得到的太陽能電池以鐵箔襯底為背電極，上層ZnO透明導電薄膜為前電極。
權利要求
1.一種高效納米天線太陽能電池制備方法，其特征在于按照以下步驟進行 A)金屬襯底修飾 選擇銅、鎳、鐵金屬箔中的一種作為金屬襯底；選取乙醇或丙酮有機溶劑與納米硅粉按質量體積比納米硅(g):有機溶劑(ml) 1:200比例配置懸濁液，經超聲分散處理后，采用旋涂法，將納米硅濁液旋涂到所選用的金屬襯底上，待有機溶劑揮發(fā)后得到納米硅粉修飾的金屬襯底； B)電池器件片制作 以甲烷或乙醇或乙炔氣體中的一種或幾種作為碳源，在800 1000°C溫度，40 IOOPa標準壓強下，與氫氣混合，并用惰性氣體作為保護氣，采用等離子體增強化學氣相沉積法，在經步驟A)修飾后的金屬襯底上一步生成硅-石墨烯-碳納米管復合結構太陽能電池器件片； C)鈍化層制作 采用旋涂或濺射或高真空熱蒸發(fā)方法，在經步驟B)生成的太陽電池器件片上，碳納米管之間沉積硅橡膠或二氧化硅或氧化鋁中的一種或兩種薄膜，作為太陽能電池器件片的鈍化層； D)窗口層制作 運用電子束蒸發(fā)或磁控濺射方法，在鈍化層和碳納米管的表面，沉積透明導電薄膜(ITO)或摻鋁氧化鋅(AZO)，作為窗口層； E)對由以上步驟得到的器件上表面拋光，使碳納米管的橫截面暴露出來，在橫截面上采用旋涂烘烤或濺射或真空蒸發(fā)方法再次生成硅橡膠或氧化鋁透明鈍化層； F)以所選擇的金屬襯底為背電極，上層透明導電薄膜為前電極，得到納米天線太陽能電池。
2.根據權利要求I所述的高效納米天線太陽能電池制作方法，其特征在于用乙醇或丙酮有機溶劑與納米硅粉按質量體積比納米硅(g):有機溶劑(ml) 1:200比例配置粒徑為30 70nm納米硅懸濁液，超聲I小時使其分散均勻。
3.根據權利要求I所述的高效納米天線太陽能電池制作方法，其特征在于以甲烷或乙醇或乙炔氣體中的一種或幾種作為碳源，采用等離子體增強化學氣相沉積，在800 IOOO0C，40 IOOPa標準壓強下一次性生成金屬箔-硅-石墨烯-碳納米管復合結構器件片，把它作為納米天線太陽能電池主體結構，并在其基礎上進一步生長鈍化層及窗口層；碳源氣體與還原性氫氣比例為1:2. 5。反應時間為5 15分鐘。
4.根據權利要求I所述的高效納米天線太陽能電池制作方法，其特征在于所述的金屬箔襯底為銅、鎳、鐵金屬箔中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效納米天線太陽能電池的制作方法。先用乙醇或丙酮有機溶劑與納米硅粉按質量體積比納米硅(g)有機溶劑(ml)1:200比例配置懸濁液，采用旋涂法把濁液旋涂到金屬襯底上進行襯底修飾；在800～1000℃溫度，40～100Pa標準壓強條件下在修飾襯底上一步生成硅-石墨烯-碳納米管復合結構，形成太陽電池器件片；采用旋涂工藝或濺射或蒸發(fā)，在碳納米管之間生成硅橡膠或碳化硅、氧化鋁鈍化層；然后運用電子束蒸發(fā)法、磁控濺射等方法在器件片上層沉積透明導電薄膜，最后以金屬襯底和透明導電薄膜為電極得到高效納米天線太陽能電池。本發(fā)明采用一步法直接生成納米太陽能電池主體結構，制作方法簡單、高效，節(jié)約原料與成本，適合大規(guī)模生產。
文檔編號H01L31/18GK102709399SQ20121020665
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權日2012年6月21日
發(fā)明者張華 , 曹軍, 曹敏, 朱德明, 鄧闖, 門傳玲 申請人:上海理工大學